地鐵特長海底隧道消防給水系統設計研究

陳 新

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

0 引言

伴隨著國民經濟的發展，地鐵建設速度不斷加快，涌現出了大量的穿越江海隧道工程。由于地鐵水下隧道具有不占航道凈空、不受天氣影響、對生態環境影響小等優點，已成為跨越海峽的首選，如青島、廈門等城市已經有多條地鐵線開展了穿越海底的設計研究。然而，我國現行的《建筑設計防火規范》［1］和《地鐵設計規范》［2］等相關規范對地鐵特長海底隧道的消防設計不夠明確，地鐵特長海底隧道的消防設計超出了我國現行消防技術規范的規定。另外，目前國內地鐵特長海底隧道的消防試驗研究和理論分析仍處于初步階段，地鐵特長海底隧道的消防設計無相關設計參數和相關指標可供選擇。盡管部分學者對公路海底隧道或特長鐵路隧道的消防設計進行了研究，且國內也有一些公路海底隧道，如廈門翔安海底隧道、青島膠州灣隧道等已經通車［3－7］，但地鐵隧道與公路隧道或鐵路隧道在火災原因、火災特點、疏散方案、建設規模、建設成本、人員密度、火災危險性及社會經濟影響性等方面均有很大不同。因此，有必要對地鐵特長海底隧道的消防系統設計方案進行全面深入研究，為地鐵特長海底隧道消防給水系統的設計提供合理可靠的技術參考依據。

1 地鐵特長海底隧道火災原因及火災特點分析

1.1 地鐵特長海底隧道火災原因分析

造成地鐵特長海底隧道火災的原因可主要歸納為設備因素、人為因素和環境因素。

1.1.1 設備因素

地鐵火災多由設備因素引發，包括電氣設備因素、客車設備因素和地鐵輔助設備因素。

在地下各車站和行車隧道中均設有變電站、供配電控制設備、各種電纜及通風、照明、調度指揮等電器設備。電器設備種類多、數量大，在運行中發生短路拉弧、過負荷、過熱等故障是造成地鐵電器設備火災的重要原因。

客車設備引發的火災主要集中于客車“受電弓”的支架固定螺栓無絕緣保護，行車中兜掛線路上的導電體造成“受電弓”短路拉弧，引發火災。如2015年上海地鐵2號線某區間列車受電弓故障引發大量火花迸射，造成接觸網供電中斷，受電弓變形嚴重，幾近引起車廂火災;客車蓄電池受啟動電阻高溫影響，發生殼體破碎，電解液外溢造成蓄電池短路起火。

1.1.2 人為因素

主要是乘客乘車時攜帶易燃易爆物品或人為故意縱火，引發車廂內火災。

1.1.3 環境因素

主要包括地鐵隧道內部潮濕、高溫、粉塵、鼠害等因素。由于地鐵內部通風不暢、洞體散熱不良等原因，地鐵內部溫度逐步升高;工程結構出現多處漏水，地下濕氣不易排出;地鐵內部老鼠等動物啃咬電纜電線，造成電器設備、線路絕緣性能下降，極易造成短路并引發火災。

1.2 地鐵特長海底隧道火災特點分析

通過對青島和廈門地鐵跨海隧道的情況分析，其中，青島地鐵跨海區間隧道全長7～9 km，海域段長5～6 km，按隧道類型劃分應屬水下長大區間隧道，其火災具有以下特點。

1.2.1 火災荷載較低

地鐵列車自身多采用不燃或阻燃材料制造，列車自身可燃材料不多，與公路隧道等其他隧道相比，可燃物較少，火災荷載較低，但人為縱火或發生恐怖襲擊引發的火災，火災荷載大，破壞力大，撲救困難。

1.2.2 火災類型多以A類火災為主，同時含電氣類火災

地鐵區間隧道火災的起火原因有多種多樣，火災主要可燃物多為固體材料，因此，火災類型多為A類固體物質火災。同時，地鐵隧道內有大量的牽引供電電纜、接觸網、動力照明電纜、信號電纜、開關柜設備等，發生電氣類火災的可能性很大。

1.2.3 火勢蔓延迅速

地鐵隧道作為管狀構筑物，空間環境狹窄，全線隧道內列車行駛形成活塞風，給火災的蔓延創造了條件。

1.2.4 人員疏散困難

一方面，因隧道為管狀構筑物，火災產生的熱浪和有毒有害氣體會使隧道內的環境急劇惡化，阻礙人員疏散;另一方面，過海段區間長度長，部分位于海底，疏散通道距離較遠，同時，可供人員疏散的空間狹窄，人流集中，因此人員疏散困難。

總體來看，地鐵區間隧道與鐵路隧道、公路隧道相比具有其特殊性，具體對比見表1。

表1 地鐵區間隧道、公路隧道、鐵路隧道比較表Table 1 Comparison among Metro tunnel，highway tunnel and railway tunnel

2 地鐵特長隧道消防給水系統方案的確定

通常消防系統的選擇是針對預期火災種類制定的，其滅火設施主要用于隧道內發生火災時，供司乘人員、隧道管理人員及消防人員撲救初期火災時使用，應具有迅速、有效滅火的功能。

目前國內各類隧道內推薦使用的消防系統組合是以洞內、外消火栓系統為主，滅火器、固定式水成膜泡沫滅火系統、機電洞室口水噴淋系統、洞外值班摩托車、消防車輛為輔的綜合滅火體系。

2.1 地鐵隧道典型消防系統分析

2.1.1 消火栓系統

完善的消火栓管網及消防系統是隧道消防的基礎，是任何長大隧道必備的、最基本的消防救援手段，也是地鐵區間隧道通用的消防方式。

2.1.2 輕水泡沫滅火系統

輕水泡沫滅火裝置主要針對液體火災及可熔化的固體物質火災等B類流淌性火災，該類火災在地鐵區間隧道發生的概率很小，因此，輕水泡沫滅火系統對于地鐵區間隧道消防并不具有針對性。

2.1.3 自動噴水滅火系統

長大隧道常用的自動噴水滅火系統包括自動水噴淋滅火系統、細水霧滅火系統以及泡沫水噴霧滅火系統等，該類系統具有反應速度快、滅火效率高、受人為因素影響小等特點，但該類系統設置相對復雜，故障率高，存在誤噴的可能。隧道常用滅火系統對照見表2。

表2 隧道常用滅火系統對照Table 2 Comparison among common fire-fighting systems

2.2 地鐵特長跨海隧道消防給水系統方案比選

2.2.1 綜合分析

通過研究地鐵特長海底隧道火災的原因及特點，結合國內外特長隧道消防給水系統的設計、運營經驗及教訓，認為消防系統的選擇是針對預期火災種類制定的，輕水泡沫滅火系統及水噴霧滅火系統不適宜地鐵特長海底隧道，常規的消火栓系統和近年來研發的高壓細水霧滅火系統是地鐵特長海底隧道消防給水系統的首選。為此，重點選取以下3個系統方案。

1)方案1。與普通區間隧道一樣，采用最基本的消火栓系統作為水消防的主要手段。優點為:系統穩定可靠，投資小。缺點為:人工操作，反應時間慢，受人為因素影響較大。

2)方案2。在設置消火栓系統的基礎上，增設高壓細水霧滅火系統。優點為:反應速度快，受人為因素影響小，對火災產生的煙氣及有毒氣體具有一定的稀釋作用。缺點為:造價昂貴，投資大，系統復雜，存在誤噴的可能，對于封閉的地鐵車廂滅火作用較小。

3)方案3。設置消火栓系統的基礎上，在海域段聯絡通道內設置局部應用的高壓細水霧滅火系統。此方案為前2個方案的折中方案，同時具有前2個方案的優缺點。

2.2.2 方案比選

方案2與方案1相比，增設了高壓細水霧滅火系統，近年來該系統被廣泛地應用于水下以及長大鐵路隧道或地鐵車站的消防救援系統中，具有較好的效果［8－10］。高壓細水霧滅火系統應用到隧道消防中，其最大的優勢不在于滅火，而在于降低煙氣中有毒物質的含量。但高壓細水霧滅火系統運用于全區間有以下不足:1)相關文獻表明，當地鐵車廂內燃燒物不斷燃燒導致殼體溫度上升時，水噴在炙熱的車廂殼體上會產生大量的水蒸氣，影響能見度，阻礙人員逃生［11］;2)高壓細水霧滅火系統捕捉著火點的效果差，地鐵火災多發生在車廂內部，車廂封閉，使高壓細水霧滅火系統不能實現自動滅火功能;3)高壓細水霧滅火系統造價昂貴、系統復雜，工作壓力高。

針對方案3，相關研究表明:地鐵區間隧道發生火災時，人員均由火災隧道通過聯絡通道逃生至另一側隧道，故在聯絡通道內設置高壓細水霧系統，既可以提高長大海底隧道的消防安全，隔離2條隧道間火勢、降低聯絡通道內的溫度和煙氣毒性、最大限度地發揮高壓細水霧滅火系統的優勢，又可以減少造價，降低影響地鐵正常運營的風險。

綜上所述，本文建議在設置消火栓系統的基礎上，在海域段聯絡通道內設置局部應用的高壓細水霧滅火系統。

2.2.3 高壓細水霧系統設置建議

高壓細水霧系統是通過制造超細粒徑的水顆粒，通過汽化吸熱、窒息、阻隔輻射熱等方式達到阻火、控火及滅火效果［12］。

在聯絡通道設置高壓細水霧系統，噴頭首先應布置于聯絡通道和隧道交界處，在不影響乘客疏散的前提下，同時起到水幕分割和阻斷煙氣、高溫的作用。由于水霧會阻擋乘客視線，在接近聯絡處兩側隧道側壁，必須設置智能疏散指示標示燈，引導乘客穿過水霧逃生。為保證噴放的連續性和及時響應，建議采用泵組加壓開式系統，控制閥組設置在聯絡通道內。噴頭流量不低于5 L/min，按照1 h噴放用水量儲存用水，并定期更換存水，保證水質。

在疏散長度較長時，可結合聯絡通道設置避難所，在其內部設置高壓細水霧系統，保護在此避難的乘客的安全，該系統主要起到阻煙、降溫作用，為獲得救援贏得時間，噴頭布置間距不大于3.0 m，可與泵組加壓開式系統共用泵組，分別設置控制閥箱。需要特別說明的是，在避難所內，人員情緒的穩定十分重要，為避免水霧噴放引起避難者不必要的恐慌，在此處需要設置清晰、準確和足夠數量的噴放指示和說明，同時，對控制閥組的使用方法應有直觀和顯著的說明指示，便于避難者在必要時使用。

可結合避難所的空間結構(如空間較大)，設置高壓細水霧消火栓系統，該系統人工操作，操作方便，可準確對準著火點，滅火效率高，降溫降煙效果好，并已在多條長大鐵路隧道中應用，技術比較成熟［13］。

3 地鐵特長海底隧道消防給水系統設計要點

3.1 消火栓給水系統管材的選用

過海區間部分位于海底，空氣潮濕，含鹽量高，腐蝕性強，消防給水系統必須選用具有高度耐腐蝕特性的管材，因此，通過對不銹鋼管、內外涂塑鋼管、球墨鑄鐵管的技術性經濟性比較，確定采用球墨鑄鐵管，這種管材防腐性強且造價較低，在地鐵區間消防系統中多采用，經過多年的實踐檢驗。球墨鑄鐵管接口采用N1型接口，橡膠圈密封，增強管道的絕緣性能，不易產生電腐蝕，其與鋼管的電阻值見表3。

表3 球墨鑄鐵和鋼管的電阻值對比表Table 3 Comparison between ductile iron pipes and steel pipes in terms of electrical resistance μΩ/cm3

N1型接口具有結構簡單、安裝方便、密閉性好等特點，在承口結構上考慮了橡膠圈的定位和偏轉角問題，此種接口的管材具有良好的密封性和可撓性，且管材本身就有較大的延伸率，使管道具有較好的柔性;因此，管道能夠承受少量的不均勻沉降，并可滿足地鐵區間小轉彎半徑管道偏轉角(≥250 m)的需要，其偏轉角見表4。另外，管道因受水溫變化而引起的伸縮在接口內可以被吸收一部分，不會導致接口漏水。

表4 球墨鑄鐵管連接允許的偏轉角Table 4 Allowable deflection angle of connection of ductile iron pipes

3.2 提高區間消火栓給水管道結構安全措施

3.2.1 防超壓方案及措施

過海區間消防管網采用濕式系統，靜水壓力主要由管網穩壓壓力和所在高程決定，穩壓壓力需滿足兩端車站最不利點處消火栓壓力要求，按0.2 MPa計，靜水壓力小于 1.0 MPa，滿足要求［14］。

經模擬計算，當發生火災時，高程較低處的消火栓動水壓力超出0.5 MPa，所以應采用以下減壓方案:動壓超壓部分消火栓采用減壓穩壓消火栓，同時動壓超壓較多部分消防給水管采用DN100管，以增大管道沿程水頭損失，減小動壓。減壓穩壓消火栓在栓體進、出口設置自動節流裝置，依靠介質本身能量改變節流裝置的節流面積，將規定范圍內的進水口壓力減至某一需要的出水口壓力，并使出水口壓力自動保持穩定。

在消防干管上設減壓閥組，由于區間各消火栓需滿足2路供水，而減壓閥所在管線要求為單向流動管線，故在減壓閥兩側均需設聯通管。

在消防干管最低點設置超壓泄水閥，由于超長隧道內存在較大高差，閥門壓力等級應根據隧道縱斷面走向經計算后確定，避免因閥門壓力等級不夠而引發爆管。

3.2.2 優化水力過渡過程控制，減小水錘對管道安全性的影響

跨海區間的充水、停泵、關閥過程極易誘發水錘事故。如某消防管道在隧道內沿線路坡度敷設，近似形成3段V型管，控制水錘危害的主要措施有:1)各局部高點均設置空氣閥，可快速排出管道內的空氣;2)可通過關閉管道閥門對管段進行分段充水，解決充水水錘的主要措施為控制充水速度;3)可依據規范“壓力輸水管道充水時，宜控制充水流速不超過0.3～0.5 m/s”;4)可采用小泵充水，并在泵后設置活塞式多功能控制閥調節小流量充水;5)輸水管線上的閥門在有水流通過時不可進行硬性關閉，應讓這些閥門緩慢地關閉，防止關閥水錘。

通過相關理論研究，在10個水錘周期內阻止水流動，可有效地降低水錘強度。水錘周期為水錘波從開始發生位置傳輸到系統末端并返回到起始位置的時間。其計算公式為

式中:l為水錘發生點所在封閉管道的長度，m;a為水錘波在管道中的傳播速度。

本工程消火栓給水干管設計采用DN150球墨鑄鐵管，N1型接口，橡膠圈密封，可按式(2)粗略計算水錘波速。

式中:K為水的體積彈性模量，取2.19×103MPa;ρ為水密度，取1.0×103kg/m3;E為管道壁的楊氏彈性模量，鑄鐵管取1.5×105MPa;D為管道內徑，取0.213 m;e為管道壁厚，本工程取 6.3 ×10－3m;C1為無因次參數，不同的支承方法及管壁約束取值不同，本工程按兩端采用柔性接頭取1.06。

估算水錘波速為1.20 km/s。根據閥門所在位置，即可求得相應的需關閥的時間。最不利點閥門距系統末端為5.4 km，計算得關閥時間需90 s。

3.2.3 優化輸水管道支架及變形補償，減小作用力對管道結構的破壞

地鐵區間管道為明裝，沒有埋地管道所受的荷載，如無人為破壞，外力導致的管道軸向應力很小;在海底隧道內的管道溫度變化幅度不是很大，溫度引起的軸向應力也不大。管道每隔300 m距離設置的波紋補償器，可補償減小由于熱脹冷縮引起的管道軸向應變。

優化管道支架設置，可減小軸向應力對管道結構的破壞。在線路曲線半徑≥500 m的區間，采用6 m/根的管道，間隔2 m設置管支架，在管道接口兩側1 m內增設;在線路曲線半徑＜500 m的區間，采用4 m/根的管道，間隔1.5 m設置管支架，在管道接口兩側0.5 m內增設;管道轉彎處做法蘭連接并增設管支架，閥門、消火栓等位置也應增設。

3.3 區間消火栓給水管爆管事故應急處置措施

盡管采取以上多種措施防止輸水管道結構破壞，海底區間廢水均向最低點匯集，無法自流排除，一旦發生爆管，即使及時發現，關停水泵，管內殘存的大量廢水也會使廢水量瞬間激增，超出排水泵的最大排水能力，因而存在淹沒部分隧道的風險。

為解決爆管問題，過海區間消防管網可在進入區間的消防干管之上加裝電磁流量計，在每個連通管的下游加裝電動蝶閥，通過對管道流量的實時監控，配合日常巡檢，及時發現消防管網的跑冒滴漏。同時，當非消防狀態下，消防管道發生爆管，水流量激增且超過消防最大用水量時，通過監控系統自動關閉所有電動蝶閥，使管道內殘存的廢水量減小至單個環管，從源頭上消除消防管道爆管淹沒隧道的風險。

4 結論與討論

1)地鐵特長海底隧道消防給水系統的選擇是針對預期火災種類制定的，其滅火設施主要用于隧道內發生火災時，供司乘人員、隧道管理人員及消防人員撲救初期火災時使用，應具有迅速、有效滅火功能，同時，應具有輔助人員疏散逃生的隔離火點和煙霧的功能。

2)消火栓系統+聯絡通道內設置高壓細水霧系統，既可以提高長大海底隧道的消防安全，起到2條隧道間火勢隔離，降低聯絡通道內溫度和煙氣毒性，最大限度地發揮高壓細水霧滅火系統的優勢，又可以減少造價，降低影響地鐵正常運營的風險。

3)地鐵特長海底隧道消防給水系統中，消火栓系統管網的管材和管道結構安全是設計中應重點關注的問題。

4)地鐵特長海底隧道消防給水系統設計應充分考慮管道爆管等事故工況下的合理應急措施。

本文對地鐵特長海底隧道消防給水系統設計有一定的指導意義，但對于這類新興工程的消防系統設計，仍需要進一步系統性地研究以及相關試驗，進而形成規范化的設計指導方案。

［1］ GB 50016—2014建筑設計防火規范［S］.北京:中國計劃出版社，2014.(GB 50016—2014 Code for design on building fire protection and prevention［S］.Beijing:China Planning Press，2014.(in Chinese))

［2］ GB 50157—2013地鐵設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2014.(GB 50157—2013 Code for design of Metro［S］.Beijing:China Building Industry Press，2014.(in Chinese))

［3］ 黎木森.高速公路海底隧道消防設計探討［J］.中國交通信息化，2013(7):131 －133.(LI Musen.Discussion about firefighting design of undersea highway tunnel［J］.China ITS Journal，2013(7):131 －133.(in Chinese))

［4］ 惠學儉，冷啟貞.海底隧道消防安全性能評估及設計探討［J］.青島理工大學學報，2012，33(1):47 － 50.(HUI Xuejian，LENG Qizhen.Discussion about evaluation and design of undersea tunnel fire safety performance［J］.Journal of Qingdao Technological University，2012，33(1):47 －50.(in Chinese))

［5］ 范益群，王曦，蔣衛艇，等.水底公路隧道安全方案及消防安全性能化設計［J］.地下工程與隧道，2006(1):60－64.(FAN Yiqun，WANG Xi， JIANG Weiting， et al.Underwater highway tunnel safety program sand fire safety performance-based design［J］.Underground Engineering and Tunnels，2006(1):60 －64.(in Chinese))

［6］ 祁曉霞.特長公路隧道消防設計探討［J］.消防科學與技術，2014(6):656 － 659.(QI Xiaoxia.Discussion on firefighting design of extra long road tunnel［J］.Fire Science and Technology，2014(6):656 －659.(in Chinese))

［7］ 張志斌.鐵路長大隧道消防設計探討［J］.鐵道標準設計，2014，58(5):117 － 120.(ZHANG Zhibin.Discussion on fire protection design for long railway tunnel［J］.Railway Standard Design，2014，58(5):117 －120.(in Chinese))

［8］ 沈滟.高壓細水霧滅火系統在地鐵設備用房的應用［J］.消防科學與技術，2011，30(1):49－51.(SHEN Yan.The application of high-pressure watermist system in equipment room of Metro［J］.Fire Science and Technology，2011，30(1):49 －51.(in Chinese))

［9］ 叢北華，費波，錢宗秋.高壓細水霧滅火系統在地鐵防災中的應用［J］.給水排水，2011，37(7):85－88.(CONG Beihua，FEI Bo，QIAN Zongqiu.The application of highpressure water mist system in Metro disasters prevention［J］.Water and Wastewater Engineering，2011，37(7):85 － 88.(in Chinese))

［10］ 龔彥峰.向莆鐵路青云山隧道緊急救援站設計研究［J］.鐵道工程學報，2014(2):83 －87.(GONG Yanfeng.Research on design of the emergency rescue station of Qingyunshan tunnel in Xiangtang-Putian railway［J］.Journal of Railway Engineering Society，2014(2):83－87.(in Chinese))

［11］ 吳國華，張劍，李勇，等.高壓細水霧消火栓滅火系統在鐵路特長隧道消防中的應用［J］.鐵道標準設計，2009(9):85 －87.(WU Guohua，ZHANG Jian，LI Yong，et al.Application of high pressure water mist fire extinguishing system on firefighting of long railway tunnel［J］.Railway Standard Design，2009(9):85 －87.(in Chinese))

［12］ 賈葦，趙鋰.全國民用建筑工程設計技術措施:給水排水［M］.北京:中國計劃出版社，2013.(JIA Wei，ZHAO Li.National technical measures for design of civil construction:Water supply and drainage［M］.Beijing:China Planning Press，2013.(in Chinese))

［13］ 孫海富.石太客運專線長大隧道防災救援設計研究［J］.鐵道工程學報，2009(10):79 － 83.(SUN Haifu.Research on the design of disaster prevention and relief in large tunnel of Taiyuan-Shijiazhuang passenger dedicated line［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009(10):79－83.(in Chinese))

［14］ GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范［S］.北京:中國計劃出版社，2014.(GB 50974—2014 Technical code for fire protection water supply and hydrant systems［S］.Beijing:China Planning Press，2014.(in Chinese ))